标题锁相放大器技术详解

锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。

在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。
在频率域中，如下图所示。

锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×10⁶。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。

如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。

与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。

那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？

■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。

如前面所解说的那样，频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器，Phase Sensitive Detector）,这是组成锁相放大器的心脏部分。

采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换。

■需要进行相位调节。

如下图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。

除了相位差为0°之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。这个相位调节的电路，称作移相电路（Phase Shifter）,是锁相放大器中必不可少的电路。

上述的锁相放大器，称作「单相位锁相放大器」。为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外，如果将参照信号的相位移动90°，使用两个PSD，那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。

最后，让我们来说明锁相放大器的一个重要参数——“动态保留”。

对于通常的电压表，是有测量量程的。在10V量程，能测量的最大电压为10V。如果超过了10V电压，那么就需要增大量程，例如，用20V的量程进行测量。
锁相放大器也是一种电压表，当然也有测量的量程。但是，锁相放大器是用来测量被掩埋在噪声中的微弱信号的，所以除了通常的测量量程之外，还具有被称作为“动态保留”的一个参数。该参数表示可以容忍测量量程的最大多少倍的噪声，由下面的公式来定义。

对于几乎所有的锁相放大器，与被测量的信号在一起，“动态保留”是有若干个档级可以变更的。
例如，在一开始介绍的「在要测量的0.1mVrms的目的信号上，叠加了0.1Vrms（≈0.8Vp-p）的噪声电压」的那一个例子中，如果把测量量程设定为0.1mV量程，那么就需要有78dB以上的动态保留。

为什么「锁相放大器」有很强的抗噪声能力？

锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。
在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。

■平坦的频谱

在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。

■随着频带宽度不同测量电压会改变

在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽（BandWidth: B.W.）的平方根以及电平成比例。测量得到的电压值，与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。

即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。

把测量所得的噪声电压（Vrms），除以频带宽度的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/√Hz）来衡量的值。频道宽度如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。

下面，让我们来看一看正弦波的性质！

■频谱非常集中

1kHz正弦波信号的频谱，只存在于1kHz的位置，其他地方的频谱的电平都为零。

■与频带宽度无关，测量所得电压保持一定的值。

因为频谱是集中分布的，所以不受频带宽度的影响，测量所得的电压保持一定的值。但是，必须要使信号频率存在于所取的频带之内。

用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关，是上图中的V。

那么，在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢？

即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。
所以，当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：

1. 想要测量的信号的电平不变；
2. 白噪声的强度减小；
3. 交流声等频率不同的成分也当然被削弱。

从以上这些结果可知，为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。
如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声就减小到1/√N，而信号却不改变，其结果SN比（信噪比）改善为1/√N。

但是，这样的带通滤波器也是有一个限度的。

为了说明「锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质，所以不容易受到噪声的影响」，前面已解说了以下几个要点：

• 噪声（白噪声）的性质；
• 正弦波的性质；
• 从白噪声与正弦波合成的信号中，使用带通滤波器可以使目的信号（正弦波）从噪声中浮现出来。

■使通带变狭窄的限度

使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过，可以抑制噪声，让目的信号浮现出来。
但是，使带通滤波器的通带宽度变窄，这也是有限度的。

在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。
Q值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。但是，一般的滤波器所能够实现的Q值，大约在100左右。对于1kHz的中心频率，相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。

Q（中心频率/通带宽度）

中心频率

带通滤波器

100左右 (10Hz@1kHz)

固定（不容易改变）

锁相放大器

～10⁷ 左右 (0.1mHz@1kHz)

追随测量信号

锁相放大器用特殊的方法，使Q提高到约为10⁷ （通常的带通滤波器约为100左右），而且实现了一种特殊的带通滤波器，能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。